선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문은 타원형 모양의 beam profile을 갖는 펄스형 반도체 레이저 다이오드를 렌즈형 광섬유를 이용하여 광결합을 유도하고, 광섬유 MOPA 시스템을 구현하여 줌으로써 단일 모드형태인 Gaussian 빔으로 광 변환하며 펄스 신호를 증폭할 수 있는 기술에 대해서 연구하였다. 펄스형 레이저 다이오드의 출력을 광섬유에 효과적으로 결합시키기 위해 광섬유 끝 단 렌즈의 초점거리를 변화시켜 실험적으로 높은 광 결합 효율을 얻었다.
- 본 논문은 펄스형 레이저 다이오드를 렌즈형 광섬유를 사용하여 고효율의 광결합을 위한 기술을 연구하고 단일 모드 형태로 모드를 변환하고, 어븀 첨가 광섬유 증폭기로 MOPA 시스템을 구현하여 펄스 레이저의 광증폭 기술에 관하여 연구하였다. 반도체 펄스형 레이저 다이오드와 광섬유의 끝 단에 형성된 렌즈의 NA값에 따른 광결합 효율성을 분석하고 고효율의 광결합을 유도하였다.
제안 방법
- MOPA에 의해 증폭된 펄스 레이저의 출력을 관측하기 위해서 photo-diode (PD)와 오실로스코프를 이용하였다. Seed 레이저와 MOPA 시스템의 광 펄스 파형을 시간영역에서 각각 측정하였다. 그림 7(a)는 seed 레이저로 이용된 펄스형 반도체 레이저 다이오드의 펄스 파형을 PD를 이용하여 측정하였고, 그림 7(b)는 MOPA 시스템에 의하여 광 증폭된 레이저 다이오드의 펄스 파형을 시간 영역에서 측정한 것이다.
- 그리고 펄스형 반도체 레이저 다이오드의 펄스 형태를 유지하면서 펄스 출력을 광증폭할 수 있는 증폭시스템을 구현하였다. 결과적으로 다중 모드, 타원 형태의 펄스형 레이저 다이오드를 단일 모드, Gaussian 형태의 펄스로 변환시켰고, MOPA 시스템을 이용하여 펄스 레이저 출력을 증폭시킬 수 있는 광섬유 레이저 기술을 구현하였다.
- 광섬유 끝 단 렌즈는 Fitel사의 S182k fiber splicer장비의 두 아크 봉을 이용한 전극으로 높은 열로 광섬유를 녹여 제작을 하였다. 광섬유 끝 단 렌즈의 초점 거리는 arc numerical value, 아크 봉과 광섬유 끝 단 사이의 거리(d) 값을 변경하여 조절하였다.
- 광섬유 끝 단 렌즈는 Fitel사의 S182k fiber splicer장비의 두 아크 봉을 이용한 전극으로 높은 열로 광섬유를 녹여 제작을 하였다. 광섬유 끝 단 렌즈의 초점 거리는 arc numerical value, 아크 봉과 광섬유 끝 단 사이의 거리(d) 값을 변경하여 조절하였다. 실시간으로 Charge Coupled Device 카메라를 이용해서 제작되는 광섬유 끝 단 렌즈의 위치 및 형태를 관찰하여 렌즈 제작의 조건을 잡았고 렌즈형 광섬유의 초점거리에 대한 실험적인 데이터를 얻었다.
- 그러나 렌즈의 곡면 수차 문제를 고려하면 빛이 렌즈 중심에 있을수록 더 좋으며 렌즈와 반도체 레이저 다이오드 사이의 거리를 최소화 했을 시 산란되는 빛이 적기 때문에 렌즈 곡률반경이 수백 µm 이내로 제작을 하였다.
- 펄스형 레이저 다이오드는 긴 축을 기준으로 좌우와 위아래로 각각 48°와 20°의 발산 각을 가지므로 광 결합 효율을 증가시키기 위해서 다중 모드 광섬유를 이용하여 광섬유 단면에 렌즈를 제작 하였다. 그리고 다시 단일 모드의 형태를 만들기 위해서 렌즈형 다중 모드 광섬유를 단일 모드 광섬유와 융착 접합하였다. 다중 모드 광섬유의 코어 직경이 크기 때문에 반도체 레이저 다이오드와의 광 결합 시 단일 모드 광섬유보다 광 축 조작이 용이하여 광 결합 효율이 더 높다.
- 반도체 펄스형 레이저 다이오드와 광섬유의 끝 단에 형성된 렌즈의 NA값에 따른 광결합 효율성을 분석하고 고효율의 광결합을 유도하였다. 그리고 펄스형 반도체 레이저 다이오드의 펄스 형태를 유지하면서 펄스 출력을 광증폭할 수 있는 증폭시스템을 구현하였다. 결과적으로 다중 모드, 타원 형태의 펄스형 레이저 다이오드를 단일 모드, Gaussian 형태의 펄스로 변환시켰고, MOPA 시스템을 이용하여 펄스 레이저 출력을 증폭시킬 수 있는 광섬유 레이저 기술을 구현하였다.
- 제작된 렌즈형 광섬유를 펄스형 레이저 다이오드와 연결하고 결합 효율을 측정하였다. 그림 5에서 보는 것과 같이 렌즈형 광섬유를 3축 이동 스테이지에 고정하였고, 펄스형 레이저 다이오드는 2축 이동 스테이지에 고정하여 광 축 정렬을 조절하기 위한 자유도를 높게 하였다.
- 이때, 희토류 이온의 에너지 준위가 넓은 대역에 분포되어 있기 때문에 증폭대역도 1550 nm 부근에서 넓게 나타날 수가 있다. 그림 6과 같이 본 실험에서는 펄스형 반도체 레이저 다이오드, 5 m의 어븀 첨가 광섬유 (EDF), 파장 분할 다중화 커플러(WDM), 980 nm 파장의 펌핑용 레이저 다이오드를 이용하여 MOPA 시스템을 구성하였다. 사용된 어븀 첨가 광섬유는 1530 nm 에서 6.
- 본 실험에서 사용된 펄스형 레이저 다이오드의 가로 축은 300 µm이므로, 다중 모드 광섬유의 직경 125 µm보다 크다. 따라서 펄스형 레이저 다이오드의 세로 축 발산각도를 기준으로 최대 광결합 효율을 가질 수 있도록, 다중 모드 광섬유의 끝 단 렌즈를 설계 및 제작하였다. 펄스형 레이저 다이오드의 가로축을 기준으로 광섬유와 광결합을 유도하기 위해서는 특수한 렌즈 조합이 필요하며 이에 광 소자들의 조작이 용이하지 않다.
- 본 논문은 펄스형 레이저 다이오드를 렌즈형 광섬유를 사용하여 고효율의 광결합을 위한 기술을 연구하고 단일 모드 형태로 모드를 변환하고, 어븀 첨가 광섬유 증폭기로 MOPA 시스템을 구현하여 펄스 레이저의 광증폭 기술에 관하여 연구하였다. 반도체 펄스형 레이저 다이오드와 광섬유의 끝 단에 형성된 렌즈의 NA값에 따른 광결합 효율성을 분석하고 고효율의 광결합을 유도하였다. 그리고 펄스형 반도체 레이저 다이오드의 펄스 형태를 유지하면서 펄스 출력을 광증폭할 수 있는 증폭시스템을 구현하였다.
- 광섬유 끝 단 렌즈의 초점 거리는 arc numerical value, 아크 봉과 광섬유 끝 단 사이의 거리(d) 값을 변경하여 조절하였다. 실시간으로 Charge Coupled Device 카메라를 이용해서 제작되는 광섬유 끝 단 렌즈의 위치 및 형태를 관찰하여 렌즈 제작의 조건을 잡았고 렌즈형 광섬유의 초점거리에 대한 실험적인 데이터를 얻었다. 그림 4에서 보는 바와 같이 렌즈의 중심 거리에서 멀어 질수록, arc numerical value가 작아질수록 렌즈의 곡률반경이 커져 렌즈의 초점 거리도 증가하였다.
- 제작된 렌즈형 광섬유를 펄스형 레이저 다이오드와 연결하고 결합 효율을 측정하였다. 그림 5에서 보는 것과 같이 렌즈형 광섬유를 3축 이동 스테이지에 고정하였고, 펄스형 레이저 다이오드는 2축 이동 스테이지에 고정하여 광 축 정렬을 조절하기 위한 자유도를 높게 하였다.
- 그리고 n1과 n2는 각각 공기와 silica의 굴절률이다. 특정한 발산 각을 가지는 펄스형 레이저 다이오드의 빛이 다중 모드 광섬유의 NA값 안으로 빛이 수렴할 수 있도록 렌즈형 광섬유를 설계하였다. Ray optics에 의한 구면에서의 경계 식은 다음과 같이 주어진다.
- 펄스형 레이저 다이오드는 긴 축을 기준으로 좌우와 위아래로 각각 48°와 20°의 발산 각을 가지므로 광 결합 효율을 증가시키기 위해서 다중 모드 광섬유를 이용하여 광섬유 단면에 렌즈를 제작 하였다.
- 펄스형 레이저 다이오드와 렌즈형 광섬유 사이 거리는 약 0.5 mm 이내로 근접하여 스테이지를 미세 조정하면서 광결합 효율을 극대화하였다. 레이저 다이오드에서 출력되는 광 세기가 1.
- 렌즈형 광섬유는 그림 1과 같이 광섬유의 한쪽 면을 높은 열로 녹여 렌즈의 형태로 제작하였다. 펄스형 레이저 다이오드와 렌즈형 광섬유의 광겹합 효율을 향상시키기 위해 레이저 다이오드의 출력 발산 각도와 파장에 따라 광섬유 단면의 렌즈의 광학적 수치를 정량화 하였다. 펄스형 레이저 다이오드는 긴 축을 기준으로 좌우와 위아래로 각각 48°와 20°의 발산 각을 가지므로 광 결합 효율을 증가시키기 위해서 다중 모드 광섬유를 이용하여 광섬유 단면에 렌즈를 제작 하였다.
- 본 논문은 타원형 모양의 beam profile을 갖는 펄스형 반도체 레이저 다이오드를 렌즈형 광섬유를 이용하여 광결합을 유도하고, 광섬유 MOPA 시스템을 구현하여 줌으로써 단일 모드형태인 Gaussian 빔으로 광 변환하며 펄스 신호를 증폭할 수 있는 기술에 대해서 연구하였다. 펄스형 레이저 다이오드의 출력을 광섬유에 효과적으로 결합시키기 위해 광섬유 끝 단 렌즈의 초점거리를 변화시켜 실험적으로 높은 광 결합 효율을 얻었다. 또한 어븀 첨가 광섬유 기반의 MOPA 시스템을 구성하여 펄스 신호를 효과적으로 증폭하였고, 타원형의 beam 형태를 갖는 레이저 빔 형태를 단일 모드 광섬유에 의해 Gaussian beam 형태를 갖는 빔 형태로 변환할 수 있었다.
- 펄스형 레이저 다이오드의 파장은 1550 nm이며 세로축 발산각도는 20°, 다중 모드 광섬유의 렌즈의 굴절률은 다중 모드 광섬유의 유효 굴절률인 1.46, NA 값은 0.275로 정량화해서 설계하였다.
- 레이저 다이오드의 발진 aperture의 가로 및 세로 크기는 각각 300 µm, 2 µm로써 타원형 모양의 beam profile을 가진다. 펄스형 반도체 레이저 다이오드와 광섬유를 결합하기 위해서 많은 방법 [9~11]이 제시되고 있는데 본 연구에서는 소형화하기 좋고 조작하기가 간단한 렌즈형 광섬유를 이용하였다. 렌즈형 광섬유는 그림 1과 같이 광섬유의 한쪽 면을 높은 열로 녹여 렌즈의 형태로 제작하였다.
대상 데이터
- MOPA에 의해 증폭된 펄스 레이저의 출력을 관측하기 위해서 photo-diode (PD)와 오실로스코프를 이용하였다. Seed 레이저와 MOPA 시스템의 광 펄스 파형을 시간영역에서 각각 측정하였다.
- 펄스형 반도체 레이저 다이오드와 광섬유를 결합하기 위해서 많은 방법 [9~11]이 제시되고 있는데 본 연구에서는 소형화하기 좋고 조작하기가 간단한 렌즈형 광섬유를 이용하였다. 렌즈형 광섬유는 그림 1과 같이 광섬유의 한쪽 면을 높은 열로 녹여 렌즈의 형태로 제작하였다. 펄스형 레이저 다이오드와 렌즈형 광섬유의 광겹합 효율을 향상시키기 위해 레이저 다이오드의 출력 발산 각도와 파장에 따라 광섬유 단면의 렌즈의 광학적 수치를 정량화 하였다.
- 본 실험에서 사용된 펄스형 레이저 다이오드의 가로 축은 300 µm이므로, 다중 모드 광섬유의 직경 125 µm보다 크다.
- 실험에서 사용된 반도체 기반 펄스형 레이저 다이오드는 중심 파장이 1550 nm이며, pulse width가 10 ns, 반복 주파수가 30 kHz, 광 출력은 1.1 mW이다. 레이저 다이오드의 발진 aperture의 가로 및 세로 크기는 각각 300 µm, 2 µm로써 타원형 모양의 beam profile을 가진다.
이론/모형
- 펄스형 레이저 다이오드의 광학적 스펙트럼 특성은 optical spectrum analyzer (OSA)를 이용하여 측정하였다. 그림 8(a)는 MOPA 시스템을 지나기 전의 레이저 출력 스펙트럼인데, 중심 파장이 1565 nm이며 band-width는 약 28 nm로 측정되었다.
성능/효과
- 또한 어븀 첨가 광섬유 기반의 MOPA 시스템을 구성하여 펄스 신호를 효과적으로 증폭하였고, 타원형의 beam 형태를 갖는 레이저 빔 형태를 단일 모드 광섬유에 의해 Gaussian beam 형태를 갖는 빔 형태로 변환할 수 있었다. 1.1 mW/cm2의 출력을 가진 레이저 다이오드는 광섬유와의 광결합에 의하여 출력이 더 약해졌지만, MOPA 시스템을 통하여 광출력이 29 mW/cm2로 증폭되었다. 실험 결과는 광 신호처리, 광 센서와 같은 레이저 기반의 첨단 기술에 높은 응용성이 있을 것이라 사료된다.
- 다중 모드 광섬유와 단일 모드 광섬유를 융착한 것을 반도체 레이저 다이오드와 광 결합을 시킬 때 발생되는 융착에 의한 광 손실 및 최종 출력 광은 각각 약 10 dB와 16 µW로 측정되었다.
- 반면에 단일 모드 광섬유를 반도체 레이저 다이오드와 직접 광 결합 후 전파되는 광 출력은 최대 3 µW로 측정되었다. 두 광 출력을 비교해 보면 다중 모드 광섬유와 단일 모드 광섬유를 융착해서 광 결합을 유도하였을 때가 효율이 더 좋은 것을 알 수가 있었다.
- 펄스형 레이저 다이오드의 출력을 광섬유에 효과적으로 결합시키기 위해 광섬유 끝 단 렌즈의 초점거리를 변화시켜 실험적으로 높은 광 결합 효율을 얻었다. 또한 어븀 첨가 광섬유 기반의 MOPA 시스템을 구성하여 펄스 신호를 효과적으로 증폭하였고, 타원형의 beam 형태를 갖는 레이저 빔 형태를 단일 모드 광섬유에 의해 Gaussian beam 형태를 갖는 빔 형태로 변환할 수 있었다. 1.
- 그림 7(a)는 seed 레이저로 이용된 펄스형 반도체 레이저 다이오드의 펄스 파형을 PD를 이용하여 측정하였고, 그림 7(b)는 MOPA 시스템에 의하여 광 증폭된 레이저 다이오드의 펄스 파형을 시간 영역에서 측정한 것이다. 레이저 다이오드만을 측정한 펄스 파형의 3-dB pulse-width는 약 7 ns로 측정되었으며, MOPA 시스템에 의해 증폭된 이후의 펄스 파형의 3-dB pulse-width는 10 ns로 측정되었다. 이것은 비선형 현상인 self-phase modulation에 의해서 펄스폭의 변화할 수 있으므로 원래 레이저 다이오드의 펄스폭보다 MOPA 시스템 출력의 펄스폭이 증가하는 결과를 보였다.
- 레이저 다이오드에서 출력되는 광 세기가 1.1 mW 일 때, 레이저 다이오드와 광섬유 간의 광 결합이 되어 나오는 광 세기는 약 160 µW로 측정되었고 15%의 광 결합 효율을 얻었다.
- 레이저 다이오드만을 측정한 펄스 파형의 3-dB pulse-width는 약 7 ns로 측정되었으며, MOPA 시스템에 의해 증폭된 이후의 펄스 파형의 3-dB pulse-width는 10 ns로 측정되었다. 이것은 비선형 현상인 self-phase modulation에 의해서 펄스폭의 변화할 수 있으므로 원래 레이저 다이오드의 펄스폭보다 MOPA 시스템 출력의 펄스폭이 증가하는 결과를 보였다. 그리고 측정한 펄스 파형 형태가 비대칭인 이유는 레이저 다이오드가 구동 시 자체 회로 임피던스 매칭이 정확하게 이뤄지지 않았기 때문이다.
- 그림 8에서 출력 형태의 광 세기는 IR-CCD의 임계 값에 맞추어 조절을 하였기에, 광 세기가 절대적 수치가 아니며, 광 세기 설정을 매우 낮게 하여서 빔 분포가 고르지 않게 측정되었다. 즉 본 시스템은 펄스형 레이저 다이오드에서 나오는 펄스의 형태를 유지하며, 광 증폭을 시키면서 빔 형태도 기본 모드 형태로 변환을 시킬 수가 있었다.
후속연구
- 1 mW/cm2의 출력을 가진 레이저 다이오드는 광섬유와의 광결합에 의하여 출력이 더 약해졌지만, MOPA 시스템을 통하여 광출력이 29 mW/cm2로 증폭되었다. 실험 결과는 광 신호처리, 광 센서와 같은 레이저 기반의 첨단 기술에 높은 응용성이 있을 것이라 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.